§ 36. Электрический ток в газах. Плазма

Природа электрического тока в газах. Проведём опыт и убедимся, что электрическая проводимость газа (воздуха) может изменяться. Два металлических диска, заряженных разноимёнными зарядами и расположенных на некотором расстоянии друг от друга, соединим с электрометром (рис. 204). Стрелка электрометра при этом отклонится на некоторый угол. Электрометр не разряжается, значит, при небольшой разности потенциалов между дисками воздух не проводит электрический ток.

Повторим опыт, нагревая пламенем (спиртовки, свечи) воздушный промежуток между дисками. Электрометр разряжается, т. е. через воздух проходит электрический ток (рис. 205).

Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, т. е. воздух между дисками опять станет диэлектриком.

Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов, т. е. к ионизации газа.

Для отрыва электрона от атома (молекулы) необходима энергия, минимальное значение которой называют энергией ионизации атома (молекулы). Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов.

Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). В ионизированном газе возникает электрический ток, который называют газовым разрядом.

Таким образом, носители электрического заряда в ионизированных газах — положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны, а проводимость газов является ионно-электронной.

Если устранить внешнее воздействие (в данном случае нагревание пламенем), электрический ток в газе прекращается. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом (молекулу) газа. Ионы противоположных знаков при столкновении также превращаются в нейтральные атомы (молекулы) — рекомбинируют. При рекомбинации освобождается энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

Таким образом, чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы (молекулы) необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и др.

Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация, называют ионизаторами. Разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием ионизатора, называют несамостоятельным.

Вольт-амперная характеристика газового разряда. Для изучения разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Рассмотрим зависимость силы тока в газе от напряжения, приложенного к электродам трубки, — вольт-амперную характеристику газового разряда (рис. 205.1).

Воздействие внешнего ионизатора ионизирует газ в пространстве между электродами. Одновременно с этим происходит и обратный процесс — превращение ионов в нейтральные атомы (молекулы). При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинирует, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, т. е. сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е. выполняется закон Ома (участок графика АВ).

При дальнейшем повышении напряжения прямая пропорциональность нарушается (участок графика ВС). Начиная с некоторого значения напряжения (для точки С) все носители электрического заряда, образовавшиеся под воздействием ионизатора, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом сила тока сохраняет постоянное значение и не зависит от напряжения (участок графика СD). Электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны, ускоряясь под действием электрического поля, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами (молекулами) свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом. Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов (рис. 205.2), а значит, и увеличению силы разрядного тока. Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) движутся к аноду и достигают его, а положительно заряженные ионы — катода. Несамостоятельному лавинному разряду в газе соответствует участок графика DЕ на рисунке 205.1.

Однако в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

Самостоятельный разряд. Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с его поверхности электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). При бомбардировке катода положительно заряженными ионами происходит его нагревание. При высокой температуре катода с его поверхности происходит испускание электронов. Такой процесс называют термоэлектронной эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов. В зависимости от давления газа, его температуры и напряжённости электрического поля вторичная электронная эмиссия и термоэлектронная эмиссия могут происходить одновременно (участок графика ЕК на рисунке 205.1). Таким образом, в отсутствие внешнего ионизатора самостоятельный разряд будет поддерживаться за счёт вторичной электронной эмиссии и (или) термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Виды самостоятельного газового разряда и их применение. В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают следующие виды самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

Тлеющий разряд характеризуется небольшой силой тока (десятки миллиампер), относительно высоким напряжением (десятки и сотни вольт), низким давлением газа (десятые доли миллиметра ртутного столба). Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках (рис. 206), применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света (рис. 207), неоновых лампах.

Дуговой разряд представляет собой столб ярко светящегося газа (рис. 208). Он характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и сравнительно небольшим напряжением (несколько десятков вольт). Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов (рис. 209), электролиза расплавов, в промышленных электропечах для плавки стали и др.

Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону, и характерным потрескиванием (рис. 210).

Коронный разряд используют в электрофильтрах для очистки промышленных газов от твёрдых и жидких примесей. Однако возникновение коронного разряда вокруг высоковольтных линий электропередачи нежелательно, так как приводит к потерям электрической энергии.

Интересно знать

Часто перед грозой, во время шторма или снежной бури в атмосфере резко возрастает напряжённость электрического поля. Это приводит к возникновению слабого свечения вблизи заострённых предметов, например, вблизи корабельных мачт, шпилей на зданиях и др. (рис. 211). Моряки, бороздившие моря и океаны, часто наблюдали это явление (коронный разряд), которое получило название «огни Святого Эльма». Один из участников кругосветного плавания Магеллана писал: «Во время тех штормов нам много раз являлся сам Святой Эльм в виде света… чрезвычайно тёмными ночами на грот-мачте, где оставался в течение двух и более часов, избавляя нас от уныния».

Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении (рис. 212). Он сопровождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления воздуха. Примером искрового разряда в природе служит молния (рис. 213).

Плазма. При достаточно высокой температуре любое вещество испаряется, превращаясь в газ. При дальнейшем увеличении температуры усиливается термическая ионизация. Нейтральные молекулы газа распадаются на составляющие их атомы, которые в дальнейшем превращаются в ионы. Кроме того, ионизация газа может быть обусловлена его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами, например, ионизация электронным ударом.

Плазма — полностью или частично ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически совпадают, т. е. средние плотности положительных ρ₊ и отрицательных ρ_– зарядов одинаковы по модулю: ρ₊ = |ρ₋|.

В зависимости от степени ионизации различают частично ионизованную и полностью ионизованную плазму. В зависимости от скорости теплового движения заряженных частиц различают низкотемпературную (< 10⁵ К) и высокотемпературную (> 10⁶ К) плазму. Примером низкотемпературной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах. Звёзды представляют собой гигантские сгустки высокотемпературной плазмы.

Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками и является самым распространённым состоянием вещества во Вселенной (рис. 214). Концентрация плазмы в межгалактическом пространстве очень мала, в среднем одна частица на кубический метр. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизованную плазму. Причиной ионизации являются ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца и других звёзд, быстрые заряженные частицы и др.

Независимо от способа получения плазма в целом является электрически нейтральной. Проводимость плазмы растёт с увеличением отношения числа ионизованных атомов (молекул) к их общему числу. Полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

1. Какова природа электрического тока в газах?

2. Как можно увеличить электрическую проводимость газов?

3. Какой разряд называют несамостоятельным?

4. Каков механизм возникновения несамостоятельного разряда в газах?

5. Что такое ионизация электронным ударом? При каких условиях она происходит в газах?

6. Какой разряд называют самостоятельным?

7. Каков механизм возникновения самостоятельного разряда в газах?

8. Какие виды самостоятельного разряда вы знаете? Приведите примеры их использования.

9. Что такое плазма? Как её можно получить?